CN103916884A - 一种微功率无线网络中多信道自适应优选通讯的方法 - Google Patents

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李智
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Abstract

本发明具体涉及一种微功率无线网络中多信道自适应优选通讯的方法,所述方法基于微功率无线网络，所述微功率无线网络中有多个信道，所述微功率无线网络包括无线节点，所述无线节点可以在不同信道上发射、接收无线信号，其特征在于该方法包括以下各步骤：（1）发射端进行多信道优选操作，得到优选发射信道；（2）发射端在所述优选发射信道上发送射频前导序列。本发明能够在未约定信道的微功率无线网络中自适应地进行多信道通讯，不需要预先存储信道切换序列，降低了对设备存储空间的要求，提高了微功率无线网络的适用性。

Description

一种微功率无线网络中多信道自适应优选通讯的方法
技术领域
本发明涉及一种通讯方法，具体涉及一种微功率无线网络中多信道自适应优选通讯的方法。
背景技术
在无线网络通讯中，通讯成功率是关键指标之一，影响通讯成功率的因素有两个：无线信道的质量和无线信道的访问方法。无线信道质量恶劣的问题一般采用多信道通讯的方法解决；无线信道的访问方法主要解决信道使用冲突的问题：一般采用侦听信道，通过对信道中同类信号的检测判断信道是否被占用，选择未被占用的时刻进行无线通讯，从而避免与无线网络中正在传输的数据发生冲突。
传统的无线信道侦听避让的方法虽然可以在一定程度上解决本网络内无线数据传输碰撞的问题，但是不能解决无线信道质量本身恶劣的问题。
传统的多信道通讯方法是通过提前约定信道切换顺序，发送端和接收端在通讯过程中按照提前约定信道切换顺序同时切换到相应信道上进行一次通讯，在本次通讯完成后同时切换到下一信道进行下一次通讯，来达到避免单一信道恶劣影响通讯成功率的目的。在通信过程中接收端和发送端需要严格按照单位时间来进行信道切换，为保证切换信道的时间准确性，对无线网络内节点间的时间同步要求很高；在点数众多的无线网络中，一个无线节点会与很多个节点通讯，对每一个需要发生通讯的节点都要提前约定切换信道的序列并存储，对存储空间的需求会很大。另外，这种方式不能预判即将工作的信道占用情况，需要通过频繁切换信道及增加数据冗余纠错的方法来保证通讯成功率。以上这些都会增加设备的实现复杂度和成本。
在微功率无线网络中，具有网络中无线节点点数众多，信道占用复杂的特点，为了适应大规模无线网络通讯的要求，并且降低多信道通讯的复杂度，需要设计新的多信道通讯的方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种微功率无线网络中多信道自适应优选通讯的方法，该方法提高了工作信道通讯成功率，实现了多信道间的自适应通讯。
为实现上述目的，本方法的技术方案是：
一种微功率无线网络中多信道自适应优选通讯的方法，所述方法基于微功率无线网络，所述微功率无线网络中有多个信道，所述微功率无线网络包括无线节点，所述无线节点可以在不同信道上发射、接收无线信号，其特征在于该方法包括以下各步骤：
（1）发射端进行多信道优选操作，得到优选发射信道；
（2）发射端在所述优选发射信道上发送射频前导序列；
（3）发射端在发送射频前导序列后，发送同步字以及无线数据包内容，直到所有内容发送完成，结束发送过程；
（4）接收端在接收无线信号时，从所述的多个信道中，随机选择一个信道作为当前接收信道；
（5）接收端在当前接收信道上进行一个基本接收时间单元的接收，若在基本接收时间单元内没有检测到有效的射频前导序列单元，则选择另一个信道进行接收，直到接收到有效的射频前导序列单元；
（6）接收端保持接收状态，在射频前导序列的发送时间内，如果没有检测到同步字，则接收数据包失败，跳转到步骤（5）；如果检测到同步字，则为有效数据包，保持接收状态直到接收无线数据包完成，结束接收过程。
进一步，所述发射端进行多信道优选操作的方法为：
（1）发射端从可用的信道中随机选择一个信道作为监听信道；
（2）发射端在监听信道上进行无线信道监听，判断所述监听信道是否被占用，如果未被占用，则将所述监听信道作为优选发射信道，多信道优选操作结束；如果被占用，跳转到步骤（3）；
（3）发射端随机退避等待一段时间，重新在所述监听信道进行监听，判断所述监听信道是否被占用，如果未被占用，则将所述监听信道作为优选发射信道，多信道优选操作结束；如果被占用则跳转到步骤（4）；
（4）从可用的信道集合中，去掉所述监听信道，如果去掉所述监听信道后，可用的信道集合不为空，则从可用的信道中重新随机选择一个监听信道，并跳转到步骤（2）；如果去掉所述监听信道后，可用的信道集合为空，则不能得到优选发射信道，多信道优选操作结束。
进一步，所述发射端进行多信道优选操作的方法为：
（1）发射端对所述多个信道依次进行无线信道监听，得到多个信道的接收信号强度参数；
（2）对所述多个信道的接收信号强度参数进行判决，得到合格的信道集合，若所述合格的信道集合不为空，则在合格的信道集合中选择一个接收信号强度参数最低的信道作为优选发射信道，多信道优选操作结束；若上述合格的信道集合为空，则转到步骤（3）
（3）发射端等待一段时间，重复步骤（1）（2）的操作，若重复次数超过最大优选重复次数，则不能得到优选发射信道，多信道优选操作结束。
进一步，射频前导序列由多个个射频前导序列单元组成，所述射频前导序列单元的数目大于信道的数目。
进一步，所述基本接收时间单元大于所述射频前导序列单元在无线通讯中的传输时间，发送射频前导序列的时间大于或等于所述信道数目与基本接收时间单元的乘积。
本发明提出的微功率无线网络中多信道自适应优选通讯的方法，具有以下优点：
1、本发明能够在未约定信道的微功率无线网络中自适应地进行多信道通讯，不需要预先存储信道切换序列，降低了对设备存储空间的要求，提高了微功率无线网络的适用性；
2、本发明在接收时，通过对信道进行射频前导序列单元的检测，确定产生数据通信的信道，不需要时间同步，降低了系统复杂度，提高了微功率无线网络应用的灵活性；
3、本发明在多信道通讯中加入了包含冲突检测的信道优选机制，进一步提高了通讯成功率，提高了系统的鲁棒性；
附图说明
图1是本发明提出的微功率无线网络中多信道自适应优选通讯的方法的发射端工作流程示意图。
图2是本发明提出的微功率无线网络中多信道自适应优选通讯的方法的接收端工作流程示意图。
具体实施方式
1.一种微功率无线网络中多信道自适应优选通讯的方法，所述方法基于微功率无线网络，所述微功率无线网络中有N个信道，N个信道记为C1，C2，…CN，所述微功率无线网络包括无线节点，所述无线节点可以在不同信道上发射、接收无线信号，该方法包括以下各步骤：
（1）发射端进行多信道优选操作，得到优选发射信道；
（2）发射端在上述优选发射信道上发送射频前导序列A，发送射频前导序列A的时间，记为TP；
（3）发射端在上述发送射频前导序列A后，发送同步字以及无线数据包内容，直到所有内容发送完成，结束发送过程；
（4）接收端在接收无线信号时，从上述的N个信道中，随机选择一个信道Ck作为当前接收信道；
（5）接收端在当前接收信道上进行一个基本接收时间单元TL的接收，若在TL时间内没有检测到有效的射频前导序列单元B，则将当前接收信道修改为Ck+1，如果k+1>N，则将当前接收信道为C1，并重复当前步骤（5），直到接收信道上接收到有效的射频前导序列单元B；
（6）接收端保持接收状态，在射频前导序列的发送时间内，如果没有检测到同步字，则接收数据包失败，跳转到步骤（4）；如果检测到同步字，则为有效数据包，保持接收状态直到接收无线数据包完成，结束接收过程。
进一步，所述发射端进行多信道优选操作的方法为：
（1）发射端从可用的信道集合，记为S，中随机选择一个信道Ct作为监听信道，其中1≤t≤N，可用的信道集合S的初始集合为C1，C2，…CN；
（2）发射端在监听信道上进行无线信道监听，判断Ct是否被占用，如果信道Ct未被占用，则将信道Ct作为优选发射信道，多信道优选操作结束；如果信道Ct被占用，跳转到步骤（3）；
（3）发射端随机退避等待一段时间TB，重新在信道Ct进行监听，判断信道Ct是否被占用，如果未被占用，则将Ct作为优选发射信道，多信道优选操作结束；如果被占用则跳转到步骤（4）；
（4）从可用的信道集合S中，去掉信道Ct，如果去掉Ct后S不为空，跳转到步骤（2）；如果去掉Ct后S为空，则不能得到优选发射信道，多信道优选操作结束。
进一步，所述发射端进行多信道优选操作的方法还可以为：
（1）发射端对N个信道依次进行无线信道监听，得到N个信道的接收信号强度参数E1，E2，…EN；
（2）对上述N个信道的接收信号强度参数E1，E2，…EN进行判决，得到合格的信道集合F，若F不为空，则在F中选择一个接收信号强度参数ER最低的信道CR作为优选发射信道，多信道优选操作结束；
（3）若上述合格的信道集合F为空，则发射端等待一段时间TB，重复步骤（1）（2）的操作，若重复次数超过最大优选重复次数W，则不能得到优选发射信道，多信道优选操作结束。
上述射频前导序列A由L个射频前导序列单元B组成，其中L>N。
上述基本接收时间单元TL大于上述射频前导序列单元B在无线通讯中的传输时间，发送射频前导序列的时间TP≥N×TL。
以一个电力行业的微功率无线抄表多信道通讯系统为例，该系统规定在471MHz～486MHz的频率范围内划分为66个信道，而系统工作时从66个信道中选择4个子信道作为可用信道，即微功率无线网络信道数N为4，记为C1，C2，C3，C4，对应4个可用信道。
该系统中无线通讯的速率为10Kbps，每个bit在空中传输的时间为100uS，一个字节的传输时间为800uS。通讯过程中无线帧格式如下：
前导序列 同步字 帧长度 帧内容 校验
80字节 2字节 1字节 可变 2字节
其中射频前导序列单元B为0101010101010101B，射频前导序列A的内容由40个射频前导序列单元B组成，根据通讯速率和射频前导序列长度可以计算出发送前导序列时间Tp=80×800uS=64mS。在通讯的接收端设定检测有效射频前导序列单元B，即接收端连续接收到16bit的0101…01序列就认为检测到有效的前导序列，那么可以计算出接收端检测射频有效前导序列的最小时间等于16×100uS=1.6mS，为了防止偶然干扰导致传输出错，则选取TL=4mS作为基本接收时间单元，同时也满足Tp≥N×TL的条件。
发射端在需要发送数据时，先进行多信道优选操作：首先在所有的可用信道中随机选择一个信道作为监听信道。将收发机切换到监听信道上后设置为接收状态，测量监听信道上的RSSI（接收信号强度指示）数值。如果RSSI数值大于信道空闲判定门限值，在这里信道空闲判定门限设置为-96dbm，则认为此时信道忙碌，不能进行发送操作，收发机进入随机退避流程；如果RSSI数值小于信道空闲判定门限值-96dbm，则认为信道此时空闲，将此信道作为选定信道，多信道优选操作成功。
发射端进入随机退避流程后，首先随机等待一段时间，然后在监听信道上重新打开接收机，进行RSSI数值测量，如果RSSI数值仍然大于信道空闲判定门限值-96dbm，判定为信道忙碌，则从剩余的信道中随机选择一个信道作为监听信道，重新开始以上过程，直到所有的信道上进行信道空闲检测的结果都为信道忙碌，则判定多信道优选操作失败。如果RSSI数值小于信道空闲判定门限值-96dbm，则选择此监听信道作为选定信道，多信道优选操作成功。
多信道优选操作成功后，发射端首先在选定信道上发送80字节的射频前导序列。与此同时接收端处于接收流程，接收端从4个可用信道中随机选择一个信道，并设置收发机进入接收状态，接收基本接收时间单元TL尝试接收有效前导码。如果没有接收到有效的射频前导序列单元B，接收端将收发机更改到下一个信道重新进行以上的尝试，如果所有的信道都没有接收到射频前导序列单元B，则继续重复以上流程。如果接收到了有效的射频前导序列单元B，接收端进入接收流程。由于发送端发送的射频前导序列、基本接收时间单元TL和可用信道数N满足关系式Tp≥N×TL，可以保证接收端在发射端发送射频前导序列的过程中能够在所有的可用信道上完成接收有效射频前导序列单元B的检测，从而保证了接收端不会漏掉发射端的数据帧。
发射端在发送完80字节的射频前导序列以后——此时接收端已经在相同的信道检测到了有效的射频前导序列，发射端继续发送同步字节以及后续的数据帧内容，而接收端将完成整个帧内容的接收，此时一个完整的通讯过程结束。

Claims (5)

1.一种微功率无线网络中多信道自适应优选通讯的方法，所述方法基于微功率无线网络，所述微功率无线网络中有多个信道，所述微功率无线网络包括无线节点，所述无线节点可以在不同信道上发射、接收无线信号，其特征在于该方法包括以下各步骤：
（1）发射端进行多信道优选操作，得到优选发射信道；
（2）发射端在所述优选发射信道上发送射频前导序列；
（3）发射端在发送射频前导序列后，发送同步字以及无线数据包内容，直到所有内容发送完成，结束发送过程；
（4）接收端在接收无线信号时，从所述的多个信道中，随机选择一个信道作为当前接收信道；
（5）接收端在当前接收信道上进行一个基本接收时间单元的接收，若在基本接收时间单元内没有检测到有效的射频前导序列单元，则选择另一个信道进行接收，直到接收到有效的射频前导序列单元；
（6）接收端保持接收状态，在射频前导序列的发送时间内，如果没有检测到同步字，则接收数据包失败，跳转到步骤（5）；如果检测到同步字，则为有效数据包，保持接收状态直到接收无线数据包完成，结束接收过程。
2.根据权利要求1所述的一种微功率无线网络中多信道自适应优选通讯的方法，其特征在于，所述发射端进行多信道优选操作的方法为：
（1）发射端从可用的信道中随机选择一个信道作为监听信道；
（2）发射端在监听信道上进行无线信道监听，判断所述监听信道是否被占用，如果未被占用，则将所述监听信道作为优选发射信道，多信道优选操作结束；如果被占用，跳转到步骤（3）；
（3）发射端随机退避等待一段时间，重新在所述监听信道进行监听，判断所述监听信道是否被占用，如果未被占用，则将所述监听信道作为优选发射信道，多信道优选操作结束；如果被占用则跳转到步骤（4）；
（4）从可用的信道集合中，去掉所述监听信道，如果去掉所述监听信道后，可用的信道集合不为空，则从可用的信道中重新随机选择一个监听信道，并跳转到步骤（2）；如果去掉所述监听信道后，可用的信道集合为空，则不能得到优选发射信道，多信道优选操作结束。
3.根据权利要求1所述的一种微功率无线网络中多信道自适应优选通讯的方法，其特征在于，所述发射端进行多信道优选操作的方法为：
（1）发射端对所述多个信道依次进行无线信道监听，得到多个信道的接收信号强度参数；
（2）对所述多个信道的接收信号强度参数进行判决，得到合格的信道集合，若所述合格的信道集合不为空，则在合格的信道集合中选择一个接收信号强度参数最低的信道作为优选发射信道，多信道优选操作结束；若上述合格的信道集合为空，则转到步骤（3）
（3）发射端等待一段时间，重复步骤（1）（2）的操作，若重复次数超过最大优选重复次数，则不能得到优选发射信道，多信道优选操作结束。
4.根据权利要求1所述的一种微功率无线网络中多信道自适应优选通讯的方法，其特征在于：射频前导序列由多个射频前导序列单元组成，并且所述射频前导序列单元的数目大于信道的数目。
5.根据权利要求1所述的一种微功率无线网络中多信道自适应优选通讯的方法，其特征在于：所述基本接收时间单元大于所述射频前导序列单元在无线通讯中的传输时间，发送射频前导序列的时间大于或等于所述信道数目与基本接收时间单元的乘积。
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